數(shù)字邏輯數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、滁州學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱： 數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 系 別： 網(wǎng)絡(luò)與通信工程系 專 業(yè)： 網(wǎng)絡(luò)工程 組 別： 第四組 起止日期: 2012年5月28日 2012年6月 22日 指導(dǎo)教師: 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院二一二年制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書目 錄1 引言22 設(shè)計(jì)要求22.1題目22.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求22.3制作要求22.4 擴(kuò)展指標(biāo)22.5 運(yùn)行環(huán)境22.6 設(shè)計(jì)條件22.7元件介紹3 計(jì)數(shù)顯示器3 74160N4 7473N5 XFG163 整體設(shè)計(jì)方案74 詳細(xì)分析841單元電路設(shè)計(jì)842控制電路843關(guān)于JK觸發(fā)器944測(cè)試105 調(diào)試與操作說(shuō)明105.1第一次仿真1

2、15.2第二次仿真115.3第三次仿真125.4第四次仿真126 課程設(shè)計(jì)總結(jié)137 致謝148 參考文獻(xiàn)141 引言數(shù)字頻率計(jì)是近代電子技術(shù)領(lǐng)域的重要測(cè)量工具之一，同時(shí)也是其他許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的測(cè)量?jī)x器。 數(shù)字頻率計(jì)是在基準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)把測(cè)量的脈沖數(shù)記錄下來(lái)，換算成頻率并以數(shù)字的形式顯示出來(lái)。數(shù)字頻率計(jì)應(yīng)用于測(cè)量信號(hào)（方波、正玄波或其他周期信號(hào)）的頻率，并用十進(jìn)制數(shù)顯示。它具有精度高、測(cè)量速度快、讀數(shù)直觀、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。2 設(shè)計(jì)要求2.1題目頻率計(jì)主要用于測(cè)量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號(hào)的頻率值。其擴(kuò)展功能可以測(cè)量信號(hào)的周期和脈沖寬度。頻率測(cè)量范圍：1HZ10HZ。數(shù)字顯示位數(shù)：四位

3、靜態(tài)十進(jìn)制數(shù)顯示被測(cè)信號(hào)的頻率。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求數(shù)字頻率計(jì)的整體結(jié)構(gòu)要求如圖所示。圖中被測(cè)信號(hào)為外部信號(hào)，送入測(cè)量電路進(jìn)行處理、測(cè)量，檔位轉(zhuǎn)換用于選擇測(cè)試的項(xiàng)目頻率、周期或脈寬，若測(cè)量頻率則進(jìn)一步選擇檔位2.3制作要求被測(cè)信號(hào)波形：正弦波、三角波和矩形波。測(cè)量頻率范圍：1Hz10kHz。測(cè)量周期范圍：0.1ms1s。測(cè)量脈寬范圍：0.1ms1s。測(cè)量精度：顯示4有效數(shù)字（要求分析1Hz、1kHz和10kHZ測(cè)量誤差）。2.4 擴(kuò)展指標(biāo)要求測(cè)量頻率值時(shí)，1Hz10z的精度均為±1。2.5 運(yùn)行環(huán)境軟件環(huán)境：windows XP Multisim 10。硬件環(huán)境：微型計(jì)算機(jī)。2.6 設(shè)

4、計(jì)條件電源條件：+5V?？晒┻x擇的元器件范圍如表2-2-1所示：表2-2-1 所需原件列表元件名稱數(shù)量電源2個(gè)計(jì)數(shù)顯示器4個(gè)74160N4個(gè)7473N2個(gè)OR31個(gè)7408N1個(gè)XFG11個(gè)2.7元件介紹 計(jì)數(shù)顯示器該元件本質(zhì)為顯示譯碼器，人們直接利用譯碼器驅(qū)動(dòng)顯示器，因此人們就把這種類型的譯碼器叫做顯示譯碼器，也就是我們通常說(shuō)的顯示器。如圖2-2-1所示圖2-2-1 計(jì)數(shù)顯示器其功能如表2-2-2所示表 2-2-2 計(jì)數(shù)器工作原理abcd顯示結(jié)果000000001100102001130100401015011060111710008100191010A1011b1100c1101d1110

5、E1111F 74160N74160N是一種十進(jìn)制的加法計(jì)數(shù)器，在本設(shè)計(jì)中由于仿真時(shí)受原件的限制，這里只使用計(jì)數(shù)芯片74160，且要求顯示四位，四個(gè)計(jì)數(shù)器74160N可以組成分頻器。 如圖2-2-2所示圖2-2-2 74160N其工作原理如表2-2-3所示表2-2-3 74169N的工作原理MRCPCEPCETPEDNQNTC0XXXXX00Reset(clear)1.XX001.XXH1(1)Parallel load1.hhhXcount(1)Count1XXhXq(1)Hold (Do nothing)1XXhXq0 7473N7473N的主要功能由JK觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)JK觸發(fā)器的J、K端

6、同時(shí)接高電平時(shí)，輸出端的狀態(tài)會(huì)隨著每輸入一個(gè)脈沖改變一次。因此JK觸發(fā)器輸入端的頻率是輸出端的兩倍，這就是通常認(rèn)為的二分頻。將輸入端加到下一個(gè)JK觸發(fā)器的時(shí)鐘端又可實(shí)現(xiàn)頻率的再次二分頻，以此類推可實(shí)現(xiàn)頻率的逐次分頻。圖2-3 7473N其功能如下表2-2-4所示表2-2-4 7473N的工作原理CLKJKQQ0XXX011.00Hold1.10101.01011.11Toggle XFG1函數(shù)發(fā)生器可以產(chǎn)生正弦波掃三角波和矩形波，信號(hào)頻率可以再1HZ到999MHZ范圍內(nèi)調(diào)整，信號(hào)的幅值以及占空比等參數(shù)也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，信號(hào)發(fā)生器有三個(gè)引線端口：負(fù)極、正極和公共端，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的圖標(biāo)和面

7、板如圖2-2-4所示圖2-2-4 XFG13 整體設(shè)計(jì)方案數(shù)字頻率計(jì)一般由振蕩器、分頻器、放大整形器、控制電路、計(jì)數(shù)譯碼顯示電路等部分組成。由振蕩器的振蕩電路產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，經(jīng)分頻器分頻得到控制脈沖?？刂泼}沖經(jīng)過(guò)控制器中的門電路分別產(chǎn)生選通脈沖、鎖存信號(hào)、清零信號(hào)。待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)限幅、運(yùn)放的放大、施密特整形之后，輸出一個(gè)與待測(cè)信號(hào)同頻率的矩形脈沖信號(hào)，該信號(hào)與鎖存信號(hào)和清零信號(hào)共同控制計(jì)數(shù)、鎖存和清零三個(gè)狀態(tài)，然后通過(guò)數(shù)碼顯示器件顯示。數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖如圖3-1所示：施密特整形這不過(guò)、閘門檢測(cè)技術(shù)譯碼數(shù)碼顯示晶振分頻控制單元待測(cè)信號(hào)選通清零控制信號(hào)圖 3-1數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖4 詳細(xì)分

8、析41單元電路設(shè)計(jì)選用帶譯碼器的集成十進(jìn)制計(jì)數(shù)芯片CD40110，該芯片有鎖存控制器端，可對(duì)計(jì)數(shù)進(jìn)行鎖存。計(jì)數(shù)部分只顯示鎖存后的數(shù)據(jù)，每鎖定一次計(jì)數(shù)部分跳動(dòng)一次，更新數(shù)據(jù)，如此反復(fù)。由于仿真時(shí)受元件的限制，這里僅使用計(jì)數(shù)芯片74160，且要求顯示四位，因此使用4組74160和數(shù)碼管。將各計(jì)數(shù)器的LOAD、ENP、ENT分別接高電平，個(gè)位的CLK端外接技術(shù)信號(hào)，低位的進(jìn)位端接高電位的CLK端，各芯片的CLK端連接起來(lái)外接清零信號(hào)，4個(gè)輸出端接數(shù)碼管，以此實(shí)現(xiàn)一個(gè)能顯示4位十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。連接后電路如圖4-1所示：圖4-1計(jì)數(shù)譯碼顯示電路42控制電路控制電路時(shí)整個(gè)數(shù)字頻率計(jì)正常工作的核心部分，需仔

9、細(xì)分析各種頻率信號(hào)（技數(shù)、選通、鎖存、清零）的時(shí)序關(guān)系，一最終控制計(jì)數(shù)譯碼器顯示電路的工作狀態(tài)。由于功能要求識(shí)別的最小頻率是1HZ，因此將選通信號(hào)的高電平時(shí)間定為1s，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)允許帶測(cè)信號(hào)輸入進(jìn)行計(jì)數(shù)，鎖存和清零信號(hào)的輸出均為高電平。在選通信號(hào)為低電平是關(guān)閉閘門，計(jì)數(shù)停止，處于數(shù)據(jù)鎖存的時(shí)間段，此時(shí)的鎖存信號(hào)為低電平，清零信號(hào)仍為高電平，直到選通信號(hào)的下一個(gè)高電平到來(lái)前（開(kāi)始下一個(gè)計(jì)數(shù)），清零信號(hào)端輸出一個(gè)低電平時(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示的清零，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)計(jì)數(shù)周期。如此往復(fù)，以實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)頻率的反復(fù)測(cè)量。這幾個(gè)信號(hào)的工作時(shí)序如圖4-2所示：圖4-2控制電路各頻率信號(hào)時(shí)序關(guān)系43關(guān)于JK觸發(fā)器當(dāng)J

10、K觸發(fā)器的J、K端同時(shí)接高電平時(shí)，輸出端的狀態(tài)會(huì)隨著每輸入一個(gè)脈沖改變一次。因此JK觸發(fā)器輸入端的頻率是輸出端的兩倍，這就是通常認(rèn)為的二分頻。將輸入端加到下一個(gè)JK觸發(fā)器的時(shí)鐘端又可實(shí)現(xiàn)頻率的再次二分頻，以此類推可實(shí)現(xiàn)頻率的逐次分頻。電路連接和工作時(shí)序如圖4-3與4-4所示：圖4-3 JK觸發(fā)器分頻電路圖4-4工作時(shí)序圖44測(cè)試創(chuàng)建如下圖4-5所示電路，根據(jù)控制電路各信號(hào)時(shí)序分析得知，選通信號(hào)的周期應(yīng)大于等于鎖存信號(hào)和清零信號(hào)，因此選用上述電路的Q2作為選通信號(hào)的輸出端。假定選通信號(hào)的高電平時(shí)間為1s，那Q2端的頻率應(yīng)為0.5HZ，由此可推出CP端和Q1端的信號(hào)頻率為2HZ和1HZ。在Q2端的

11、選通信號(hào)為高電平時(shí)，允許計(jì)數(shù)，頻率計(jì)開(kāi)始工作。當(dāng)Q2端進(jìn)入低電平段，頻率計(jì)為鎖存階段，直至下一個(gè)Q2端高電平到來(lái)前，CP、Q1、Q2端均為低電平，可以考慮用一個(gè)3輸入的或門將這三個(gè)端口連接，輸出一個(gè)低電平作為清零信號(hào)，加到計(jì)數(shù)譯碼顯示電路的CLR端。由此得到選通信號(hào)周期為2s，計(jì)數(shù)時(shí)間為1s，鎖存時(shí)間為0.75s，清零時(shí)間為0.25s。如果對(duì)上述時(shí)間不滿意，還可以通過(guò)改變JK觸發(fā)器的輸入時(shí)鐘頻率或者用不同的門電路連接CP、Q1、Q2端來(lái)構(gòu)成計(jì)數(shù)、鎖存和清零信號(hào)，建構(gòu)過(guò)程中只要把握好CP、Q1、Q2三者的時(shí)序關(guān)系即可。圖4-5 JK觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字頻率計(jì)電路原理圖5 調(diào)試與操作說(shuō)明JK觸發(fā)器構(gòu)成

12、的數(shù)字頻率計(jì)仿真。接入2 Hz的時(shí)鐘信號(hào)源作為控制電路的時(shí)鐘脈沖，同時(shí)在待測(cè)新號(hào)端接上函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。任意設(shè)定函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的波形（正弦波、方波、三角波），并改變每種波形的頻率（9Hz、99Hz、999Hz、9999Hz）,啟動(dòng)仿真開(kāi)關(guān)進(jìn)行仿真，可以看到無(wú)論何種波形都能準(zhǔn)確的顯示函數(shù)信號(hào)發(fā)生器頻率。下面進(jìn)行操作：仿真分為四檔即（9Hz、99Hz、999Hz、9999Hz）5.1第一次仿真：將設(shè)定的函數(shù)信號(hào)設(shè)定頻率為9Hz,打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)測(cè)試的結(jié)果如圖5-1所示：圖5-1第一次仿真結(jié)果5.2第二次仿真：將設(shè)定的函數(shù)信號(hào)設(shè)定頻率為99Hz,打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)測(cè)試的結(jié)果如圖5-2所示：圖5-2第二次仿真結(jié)果

13、5.3第三次仿真：將設(shè)定的函數(shù)信號(hào)設(shè)定頻率為999Hz,打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)測(cè)試的結(jié)果如圖5-3所示：圖5-3 第三次仿真5.4第四次仿真：將設(shè)定的函數(shù)信號(hào)設(shè)定頻率為9999Hz,打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)測(cè)試的結(jié)果如圖5-4所示：圖5-4第四次仿真從以上四次仿真可以看出每次仿真都能精確的顯示已經(jīng)設(shè)定好的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的頻率。說(shuō)明實(shí)驗(yàn)的測(cè)試、仿真成功。6 課程設(shè)計(jì)總結(jié)課程的課程設(shè)計(jì)實(shí)際是網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)完數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程后進(jìn)行的一次全面的綜合訓(xùn)練。其目的在于加深對(duì)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)的理解，掌握運(yùn)用數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)合理論知識(shí)設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的基本應(yīng)用電路的方法。雖說(shuō)整個(gè)課設(shè)過(guò)程很辛苦，可是我們從中找到

14、了樂(lè)趣、接觸了實(shí)踐，以前不是特別明白的地方也通過(guò)實(shí)踐弄懂了?？偟膩?lái)說(shuō)這次課程設(shè)計(jì)使我們感受到了理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的及其重要意義。不但使我對(duì)所掌握的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，還提高了我的動(dòng)手查閱資料的能力而且還鍛煉了自己的獨(dú)立思考能力。設(shè)計(jì)思路是最重要的，只要你的設(shè)計(jì)思路是成功的那你的設(shè)計(jì)已經(jīng)成功了一半。因此我們應(yīng)該在設(shè)計(jì)前做好充分的準(zhǔn)備，像查找詳細(xì)的資料為我們?cè)O(shè)計(jì)的成功打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、易懂 、不超出我們的能力范圍的內(nèi)容不涉及，一些想法在我們沒(méi)設(shè)計(jì)此電路之前就已經(jīng)有拉考慮，但是做完之后發(fā)現(xiàn)我們當(dāng)前考慮的還是有所欠缺，做為一名剛學(xué)習(xí)完數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)的我們來(lái)說(shuō)有一定的難度，但是這對(duì)于我們掌握理解學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)有很大的幫助，對(duì)于思維、邏輯及其理論知識(shí)的運(yùn)用等多方面有了更加進(jìn)一步的掌握。在做課設(shè)的過(guò)程中我們查閱了很多的參考書即相關(guān)資料通過(guò)參考及運(yùn)用自己所掌握的知識(shí)完成了此次的設(shè)計(jì)。7 致謝感謝姚光順的指導(dǎo)和幾個(gè)組員的積極配合，才有此次課程設(shè)計(jì)的成功。在這里我也感謝所有給予我們關(guān)心幫助的老師，希望以后有